Твердых диэлектриков

Влияние различных факторов на электрическую прочность

Электрическая прочность твердых диэлектриков

В зависимости от времени выдержки под напряжением и температуры пробой может носить электрический, тепловой или электрохимический характер. Зависимость электрической прочности твердых диэлектриков от времени выдержки под напряжением τ приведена на рис. 22.10. Как видно, E _пртвердых диэлектриков при различных видах пробоя на порядок выше, чем E _пр жидких диэлектриков.

Рис. 22.10. Зависимость электрической прочности твердых диэлектриков от времени выдержки под напряжением τ

Влияние природы диэлектриков

На величину Е _пр твердых диэлектриков влияют их химический состав и строение. При электротепловом пробое Е _пр диэлектрика тем ниже, чем больше значения его ε и tgδ и меньше удельное сопротивление ρ _v (см. формулы 10 и 11).

Электрическая прочность полимерных диэлектриков уменьшается в ряду: неполярные полимеризационные полимеры, полярные полимеризационные полимеры, поликонденсационные полимеры.

Диэлектрики ионного строения в порядке уменьшения Е _пр могут быть расположены в следующей последовательности: кристаллические с плотной упаковкой ионов, кристаллические с неплотной упаковкой ионов, аморфные.

Влияние температуры

С увеличением температуры Е _пр изменяется с характерным изломом (рис. 22.11). При низких температурах Е _пр не зависит от температуры, здесь пробой носит электрический характер. Выше критической температуры T_кр происходит резкой снижение Е _пр и отсюда начинается развитие теплового пробоя.

У кристаллизующихся полимеров излом зависимости Е _пр = f (T) наблюдается при достижении температуры плавления, у аморфных полимеров – при температуре стеклования, а затем при температуре текучести. Это связано с тем, что выше температур фазовых и физических переходов в полимерах увеличивается тепловыделение, обусловленное релаксационными диэлектрическими потерями - возрастает интенсивность дипольно-сегментальной и дипольно-групповой поляризаций.

Для диэлектриков ионного строения (керамика, стекло и др.) излом на кривой Е _пр = f (T) обусловлен увеличением интенсивности ионно-релаксационной поляризации при тепловым расширении вещества.

При увеличении температуры окружающей среды T ₀ Е _пр диэлектрика уменьшается в соответствии с выражениями (10) и (11).

.

Рис. 22.11. Зависимость электрической прочности Е _пр твердых диэлектриков от температуры Т

Влияние толщины диэлектрика

С увеличением толщины диэлектрика h его электрическая прочность уменьшается (рис. 22.12).

В случае электрической формы пробоя (рис. 12) при толщине образцов h ≤10-20 мкм, у неорганических и органических диэлектриков наблюдается электрическое упрочнение – резкое возрастание Е_пр при уменьшении h. Причиной электрического упрочнения является уменьшение средней длины пробега электрона λ при уменьшении толщины диэлектрика при h >10 - 20 мкм в однородном поле, в отсутствие разрядов на поверхности и в порах, в отсутствие объемных зарядов Е _пр не изменяется с увеличением толщины образца.

.

Рис.22.12. Зависимость электрической прочности Е _пр твердых диэлектриков от толщины h

При электротепловой форме пробоя Е _пр уменьшается при увеличении h, так как с увеличением толщины образца уменьшается коэффициент теплопередачи от системы диэлектрик - электроды в окружающую среду (8) и диэлектрик нагревается до температуры расплавления, обугливания или растрескивания при меньшей напряженности электрического поля. Из (10) и (11) следует, что Е _пр диэлектрика обратно пропорциональна квадратному корню из его толщины h.

Влияние пористости диэлектрика

Наличие в диэлектрике пор, микротрещин, инородных включений и т.п., имеющих величину относительной диэлектрической проницаемости ε, отличную от ε самого диэлектрика, приводит к увеличению в нем неоднородности электрического поля. В результате на локальных участках диэлектрика возрастает напряженность электрического поля, и пробой наступает при более низком напряжении. Электрическая прочность сильнопористых диэлектриков мало отличается от Е _пр воздуха. Поэтому для увеличения Е _пр пористых диэлектриков их пропитывают жидкими или воскообразными диэлектриками, электроизоляционными лаками или компаундами.

Влияние площади электродов

Электрическая прочность очень тонких образцов диэлектриков снижается с увеличением площади электродов. Это объясняется тем, что с увеличением площади электродов возрастает вероятность попадания под них слабых (дефектных) мест диэлектрика.

Влияние числа слоев изоляции

Электрическая прочность многослойной изоляции имеет экстремальную зависимость от числа слоев (рис. 22.13). Тонкая (несколько микрометров) однослойная изоляция из неоднородного материала (например, бумаги, высыхающих лаков) имеет невысокую Е _пр, если размер неоднородностей (например, пор) соизмерим с толщиной изоляции. При использовании двух-трех слоев изоляции Е _пр возрастает, так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды. При дальнейшем увеличении числа слоев изоляции Е _пр снижается ввиду ухудшения отвода тепла.

Число слоев тонкослойной изоляции

Рис.22.13. Зависимость Е _пр тонкослойной изоляции от числа слоев

Влияние частоты напряжения

При электрической форме пробоя Е _пр твердых диэлектриков не зависит от частоты приложенного напряжения. Однако при пробое на импульсах напряжения продолжительностью 10^-7 с и менее Е_пр возрастает. Это связано с уменьшением вероятности образования электронных лавин при малом времени приложения напряжения.

В случае электротепловой формы пробоя с увеличением частоты Е_пр снижается, так как возрастает количество выделяемого тепла в результате возрастающих диэлектрических потерь в соответствии с выражением (6).

Дата добавления: 2017-01-13